הצגת המקור של הדף "סקוויד"

{{לשכתב|[[ויקיפדיה:תרגמת|תרגמת]]|כל הערך=כן|נושא=מדע וטכנולוגיה}}

[[קובץ:SQUID_by_Zureks.jpg|ממוזער|אלמנט חישה של סקוויד]]
'''סקוויד''' (ב[[אנגלית]]: '''SQUID'''; [[ראשי תיבות]] של '''Superconducting quantum interference device''' – מכשיר [[התאבכות]] [[תורת הקוואנטים|קוונטית]] [[מוליכות-על|מוליך-על]]) הוא [[מגנטומטר]] מאוד רגיש המשמש למדידת [[שדה מגנטי|שדות מגנטיים]] מאוד עדינים, המבוסס על לולאות מוליכות-על המכילות צומתי ג'וזפסון.

סקווידים רגישים מספיק כדי למדוד שדות חלשים בסדר גודל של <math>5\cdot 10^{-18}</math> [[טסלה]] תוך כמה ימים של מיצוע מדידות.{{הערה|שם=Ran04|{{Cite book|url=http://einstein.stanford.edu/content/education/GP-B_T-Guide4-2008.pdf|title=Gravity Probe B: Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes|last=Ran|first=Shannon K’doah|publisher=[[NASA]]|year=2004|page=26|format=PDF}}}} רמות הרעש שלהם הן מסדר גודל של <math>3 \ fT\cdot \text{Hz}^{-\frac{1}{2}}</math>.{{הערה|{{Cite journal|url=http://ib.ptb.de/de/org/7/75/751/SQUID_Stromsensoren/Drung_ASC06_Preprint.pdf|title=Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors|journal=IEEE Transactions on Applied Superconductivity|issue=2|doi=10.1109/TASC.2007.897403|year=2007|volume=17|pages=699–704|bibcode=2007ITAS...17..699D|author=D. Drung, C. Assmann, J. Beyer, A. Kirste, M. Peters, F. Ruede, and Th. Schurig|access-date=2016-04-29|archive-url=https://web.archive.org/web/20110719073509/http://ib.ptb.de/de/org/7/75/751/SQUID_Stromsensoren/Drung_ASC06_Preprint.pdf|archive-date=2011-07-19|url-status=dead}}}} לשם השוואה, מגנט מקרר טיפוסי מייצר 0.01 טסלה (<math>10^{-2}</math>), וכמה תהליכים בבעלי חיים מייצרים שדות מגנטיים מאוד קטנים (בין <math>10^{-9}</math> ל־<math>10^{-6}</math> טסלה). מגנטומטרים אטומיים SFRF שהומצאו לאחרונה פוטנציאלית רגישים יותר ולא דורשים קירור קריוגני אבל [[סדר גודל|סדר הגודל]] שלהם גדול (<math>\sim 1 \ \text{cm}^3</math>) והם חייבים להיות מופעל בשדה מגנטי הקרוב לאפס.

== היסטוריה ועיצוב ==
ישנם שני סוגים עיקריים של סקוויד: [[זרם ישר|זרם ישיר]] (DC), ותדר רדיו (RF). סקוויד RF יכול לעבוד עם צומת ג'וזפסון יחיד, מה שעשוי להוזיל את הייצור שלו, אבל הוא פחות רגיש.

=== סקוויד זרם ישר ===
[[קובץ:IV curve.svg|ממוזער|משמאל: גרף של זרם כתלות במתח עבור סקוויד. העקומות העליונה והתחתונה מתאימות nΦ<sub>0</sub> (n+1/2)Φ<sub>0</sub> בהתאמה. מימין: מתח תגובה מחזורי בשל השטף דרך סקוויד. המחזוריות שווה לשטף הקוונטים אחד, Φ<sub>0.</sub>]]
סקוויד זרם ישר הומצא בשנת 1964 על ידי רוברט ז'קלביק, ג'ון ג'יי לאמב, ג'יימס מרסרו, וארנולד סילבר של מעבדות מחקר פורד{{הערה|שם=Jaklevic64|{{Cite journal|title=Quantum Interference Effects in Josephson Tunneling|journal=Phys. Rev. Letters|issue=7|doi=10.1103/PhysRevLett.12.159|year=1964|volume=12|pages=159–160|bibcode=1964PhRvL..12..159J|author=R. C. Jaklevic, J. Lambe, A. H. Silver, and J. E. Mercereau}}}} לאחר ש[[בריאן ג'וזפסון|בריאן דייוויד ג'וזפסון]] הציע את [[אפקט ג'וזפסון]] ב-1962, וצומת ג'וזפסון הראשונה נעשתה על ידי ג'ון רוול ופיליפ אנדרסון ב־[[מעבדות בל]] ב-1963.{{הערה|{{Cite journal|title=Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect|last2=Rowell|first2=J.|journal=Physical Review Letters|issue=6|doi=10.1103/PhysRevLett.10.230|year=1963|volume=10|pages=230–232|bibcode=1963PhRvL..10..230A|pmc=|pmid=|last1=Anderson|first1=P.}}}} יש לו שני צומתי ג'וזפסון במקביל בתוך לולאת מוליך-על. הוא מבוסס על אפקט ג'וזפסון בזרם ישר. בהיעדר כל שדה מגנטי חיצוני, הזרם הנכנס <math>I</math> מתפצל לשני ענפים באותה מידה. אם שדה מגנטי חיצוני קטן מוחל על לולאת מוליך-העל, זרם ממסך, <math>I_s</math>מתחיל במחזור הלולאה שיוצרת שדה מגנטי המבטל את השטף חיצוני. הזרם המושרה הוא באותו כיוון כמו <math>I</math> באחד הענפים של לולאת מוליך-העל, והוא הפוך ל- <math>I</math> בענף האחר; סך הזרם נהיה <math>I/2 + I_s</math> בענף אחד ו- <math>I/2 - I_s</math> בשני. ברגע שהזרם בכל ענף עולה על הזרם הקריטי, <math>I_c</math>, של צומת ג'וזפסון, מתח מופיע לרוחב הצומת.

עכשיו, נניח שהשטף החיצוני הוא עוד יותר גדל עד שהוא עולה על <math>\Phi_0/2</math>, חצי מקוונטת השטף המגנטי. כיוון שהשטף המוגדר על ידי לולאת מוליך העל חייב להיות [[מספר שלם]] של [[קוונטום|קוונטות]] השטף המגנטי, במקום הקרנת השטף הסקוויד עכשיו מעדיף מבחינה אנרגטית להגדיל את זה <math>\Phi_0</math>. הזרם המקרין עכשיו זורם בכיוון ההפוך. לפיכך הזרם המקרין משנה כיוון בכל פעם שהשטף גדל בחצי כפולה של <math>\Phi_0</math>. לפיכך הזרם הקריטי מתנודד כפונקציה של השטף המוקצב. אם הזרם הנקלט הוא יותר מ- <math>I_c</math>, אז הסקוויד תמיד פועל במצב התנגדות. המתח במקרה זה לפיכך הוא פונקציה של השדה המגנטי המיושם והמחזור שווה ל- <math>\Phi_0</math>. מכיוון שתכונות מתח-זרם של סקוויד זרם ישר (DC) הוא היסטרטי, התנגדות [[העתק]], <math>R</math> מחובר דרך הצומת כדי להסיר את ההיסטרזיס (במקרה של [[נחושת]] אוקסיד מבוססת על מוליכי על של טמפרטורה גבוהה, ההתנגדות הפנימית של הצומת בדרך כלל מספיקה). זרם ההקרנה הוא השטף המוחל מחולק על ידי ההשראה העצמית של הטבעת. לכן <math>\Delta \Phi</math> יכול להיות מוערך בתור הפונקציה של <math>\Delta V</math> (ממיר [[שטף]] למתח){{הערה|שם=du|{{Cite book|title=Magnetism: Materials and Applications|publisher=Springer|year=2005|volume=2|author=E. du Trémolet de Lacheisserie, D. Gignoux, and M. Schlenker}}}}{{הערה|שם=clarke|{{Cite book|title=The SQUID handbook|publisher=Wiley-Vch|year=2004|volume=1|author=J. Clarke and A. I. Braginski (Eds.)}}}} כדלקמן:
: Δ''V'' = ''R'' Δ.

: 2I = 2 ∆Φ/L, כאשר ''L'' הוא ההשראה העצמית של הטבעת מוליכת העל.

: ∆V = (R/L) ∆Φ<br>
בדיון בסעיף זה, הניחו קווינטוט שטף מושלם בלולאה. עם זאת, זה נכון רק עבור לולאות גדולות עם השראה עצמית גדולה. על פי היחסים, שהובאו לעיל, זה מרמז גם זרם קטן ושינויי מתח. בפועל ההשראה העצמית ''L'' של הלולאה לא כל כך גדולה. את המקרה כללי ניתן להעריך על ידי הצגת פרמטר
: <math>\lambda = \frac{i_cL}{\Phi_0}</math>
כאשר ic הזרם הקריטי של הסקוויד. בדרך כלל ''λ'' הוא מסדר אחד.{{הערה|{{Cite journal|title=Quantum-interference phenomena in point contacts between two superconductors|journal=Physica|issue=2|doi=10.1016/0031-8914(69)90116-5|year=1969|volume=41|pages=225–254|bibcode=1969Phy....41..225D|author=A.TH.A.M. de Waele and R. de Bruyn Ouboter}}}}

=== סקוויד RF ===
[[קובץ:Squid_prototype2.jpg|ממוזער|אבטיפוס סקוויד]]
סקוויד RF הומצא בשנת 1965 על ידי רוברט ז'קלביק, ג'ון ג'יי לאמב, ארנולד סילבר, וג'יימס אדוארד צימרמן ב-"פורד".{{הערה|שם=clarke|{{Cite book|title=The SQUID handbook|publisher=Wiley-Vch|year=2004|volume=1|author=J. Clarke and A. I. Braginski (Eds.)}}}} הוא מבוסס על אפקט ג'וזפסון AC ומשתמש רק בצומת ג'וזפסון אחד. הוא פחות רגיש בהשוואה לסקוויד זרם ישר אבל הוא זול יותר, וקל יותר לייצר אותו בכמויות קטנות יותר. המדידות הבסיסיות ביותר בביומגנטיזציה, אפילו של אותות קטנים מאוד, נעשו באמצעות RF-SQUID.{{הערה|{{Cite journal|title=Biomagnetic instrumentation|last2=Williamson|first2=S. J.|journal=Review of Scientific Instruments|issue=12|doi=10.1063/1.1136907|year=1982|volume=53|pages=1815–1845|pmc=|pmid=6760371|last3=Kaufman|first3=L.|last1=Romani|first1=G. L.}}}}{{הערה|{{Cite journal|title=Biomagnetism using SQUIDs: Status and perspectives|last2=Braginski|first2=A. I.|journal=Superconductor Science and Technology|issue=3|doi=10.1088/0953-2048/19/3/024|year=2006|volume=19|pages=S160|pmc=|pmid=|last1=Sternickel|first1=K.}}}} סקוויד RF מוצמד אינדוקטיבית למעגל מכל תהודה. כתלות בשדה המגנטי החיצוני, כמו שסקוויד פועל במצב התנגדות, ההשראה האפקטיבית של מעגל המכל משתנה, ובכך משנה את תדר התהודה של מעגל המכל. את מדידות התדירות האלה ניתן לקחת בקלות, ובכך ההפסדים אשר מופיעים כמתח על פני נגד העומס במעגל הם [[פונקציה מחזורית]] של השטף המגנטי המוכל במחזור של ''Φ''<sub>0</sub>. בשביל תיאור מתמטי מדויק עיין במאמר המקורי של Erné et al.{{הערה|שם=du}}{{הערה|{{Cite journal|title=Theory of the RF biased Superconducting Quantum Interference Device for the non-hysteretic regime|journal=J. Appl. Phys.|issue=12|doi=10.1063/1.322574|year=1976|volume=47|pages=5440–5442|bibcode=1976JAP....47.5440E|author=S.N. Erné, H.-D. Hahlbohm, H. Lübbig}}}}

=== חומרים בהם משתמשים ===
החומרים מוליכי העל המסורתיים לסקווידים הם, [[ניאוביום]] טהור או [[סגסוגת]] עופרת עם 10% זהב או [[אינדיום]], כי עופרת טהורה לא יציבה כאשר הטמפרטורה שלו שוב ושוב משתנה. כדי לשמור על מוליכות-על, כל המכשיר צריך לפעול בתוך כמה מעלות של [[האפס המוחלט]], מקורר עם [[הליום נוזלי]].{{דרוש מקור}}

ב-2006, הוצגה הוכחה של הקונספט על חיישני CNT-SQUID בנויים מאלומיניום (עבור הלולאה) וקיר בודד של ננו-צינור מפחמן (CNT).{{הערה|{{Cite journal|title=Carbon nanotube superconducting quantum interference device|last2=Wernsdorfer|first2=W.|journal=Nature Nanotechnology|issue=October|doi=10.1038/nnano.2006.54|year=2006|volume=1|pages=53–9|bibcode=|pmc=|pmid=18654142|last1=Cleuziou|first1=J.-P.}}}} החיישנים בגודל 100&#x20;ננומטר ופועלים בטמפרטורת 1K או מתחת. חיישנים כאלה מאפשרים לספור ספינים.{{הערה|{{Cite journal|title=The nanoSQUID makes its debut|last2=|first2=|journal=Nature Nanotechnology|issue=October|doi=|year=2006|volume=1|pages=|bibcode=|pmc=|pmid=|last1=Aprili|first1=Marco}}}}

"חיישני סקוויד בטמפרטורה גבוהה" עדכניים יותר; הם עשויים ממוליכי על [[מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות|בטמפרטורה גבוהה]], במיוחד YBCO, מקוררים על ידי חנקן נוזלי אשר הוא זול יותר, וקל יותר לטפל בו מאשר בהליום נוזלי. הם פחות רגישים מסקווידים קונבנציונליים של טמפ' נמוכה אבל מספיק טוב עבור יישומים רבים.{{דרוש מקור}}

== שימושים ==
[[קובץ:Squid_prototype.jpg|ממוזער|החלקים הפנימיים של דגם מוקדם של סקוויד]]
הרגישות הרבה של סקווידים עושה אותם אידיאליים עבור מחקרים בביולוגיה. [[מגנטואנצפלוגרפיה]] (MEG), למשל, משתמשת במדידות מתוך מערך של סקווידים כדי להסיק על פעילות [[תא עצב|עצבית]] בתוך המוח. מכיוון שדיונונים יכולים לפעול בשיעורי אקויזיציה הרבה יותר גבוהים מאשר התדירות הטמפורלית הגבוהה ביותר של אותות הנפלטים על ידי המוח (kHz), מג משיגה רזולוציה טמפורלית טובה. תחום נוסף שבו סקווידים משמשים הוא מגנטוגסטרוגרפיה העוסק בהקלטה של שדות מגנטיים חלשים של הקיבה. יישום אצילי של סקווידים הוא שיטת סמן ניטור מגנטי, אשר משמשת כדי לעקוב אחר הנתיב של תרופות הניטלות דרך הפה. בסביבה הקלינית, סקווידים משמשים ב[[קרדיולוגיה]] עבור הדמיית שדה מגנטי (MFI), אשר מזהה את השדה המגנטי של הלב לאבחון וריבוד סיכון.

כנראה השימוש הכי מסחרי בסקווידים הוא מערכות מדידת רכוש מגנטי (MPMS). אלה מערכות turn-key, שנעשו על ידי מספר יצרנים, שמודדות את התכונות המגנטיות של דגימת חומר. זה נעשה בדרך כלל בטווח טמפרטורה של 300mK עד בערך 400K{{הערה|{{Cite journal|title=Superconducting quantum interference devices: State of the art and applications|last2=Koelle|first2=D.|journal=Proceedings of the IEEE|issue=10|doi=10.1109/JPROC.2004.833655|year=2004|volume=92|pages=1534–1548|pmc=|pmid=|last3=Ludwig|first3=F.|last4=Clarke|first4=J.|last1=Kleiner|first1=R.}}}} עם הפחתת גודל של חיישני SQUID מאז העשור האחרון, חיישן כזה יכול לצייד את הקצה של בדיקת [[מיקרוסקופ כוח אטומי|AFM]] הבדיקה. מכשיר כזה מאפשר מדידה בו זמנית של חספוס של פני השטח של דגימה והשטף המגנטי המקומי.{{הערה|[http://neel.cnrs.fr/spip.php?article914&lang=en microSQUID microscopy at] Institut Néel<span> (Grenoble, FRANCE)</span>|כיוון=שמאל}}

לדוגמה, סקווידים, משמשים כגלאים כדי לבצע [[דימות תהודה מגנטית]] (MRI). בזמן ש-MRI שדה גבוה משתמש בשדות נקיפה של אחת לכמה טסלה, MRI סקוויד משתמש במדידת שדות בטווח מיקרוטסלה. במערכת MRI קונבנציונלית, סולמות האות כמו בריבוע של מדידת תדר (ומכאן נקיפת שדה): כוח אחד של תדר נובע מהקיטוב התרמי של הספינים בטמפרטורת החדר, ואילו הכוח השני של השדה בא מן העובדה כי מתח מושרה בסליל פרופורציונלי לתדר של precessing מגנוט. במקרה של untuned דיונון זיהוי של prepolarized ספינים, עם זאת, תמ"ג עוצמת האות היא עצמאית של נקיפת שדה, המאפשר MRI אות זיהוי חלש ביותר שדות, של סדר, של כדור הארץ השדה. דיונון-זוהה MRI יש יתרונות על פני גבוה בתחום מערכות MRI, כגון עלות נמוכה נדרש לבנות מערכת כזו, שלה הקומפקטיות. העיקרון הודגם על ידי הדמיה אנושית הגפיים, והעתיד שלה היישום עשוי לכלול גידול ההקרנה.{{הערה|{{Cite book|last2=Lee|first2=A.T.|last3=Mück|first3=M.|last4=Richards|first4=P.L.|pages=56–81|chapter=Chapter 8.3|title= Nuclear Magnetic and Quadrupole Resonance and Magnetic Resonance Imaging|last1=Clarke|first1=J.}}}}

==קישורים חיצוניים==
{{ויקישיתוף בשורה}}

== הערות שוליים ==
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה]]
[[קטגוריה:מכשירי מדידה]]
[[קטגוריה:זרם חשמלי]]